北斗卫星 - 国产化北斗专用芯片样机的设计与实现.doc
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1、北斗卫星 | 国产化北斗专用芯片样机的设计与实现为提高北斗导航定位设备的独立自主性能和通用性能,开展基于国产化北斗专用芯片的应用研究和整机方案的设计与研制,通过国产化北斗专用芯片遴选、核心功能组件设计、整机匹配设计以及接口协议的统一,研制了基于国产化北斗专用芯片的样机。经与定型设备对比,应用国产化北斗专用芯片的样机在全部满足功能性能要求的基础上,军码水平定位精度最大提升875%,高程定位精度提升741%,1 PPS 精度提升283%,抗干扰能力最大提升6 dB,作战应用关键指标提升明显; 设备安全性、自主性等大幅提升,提高了战场生存能力; 核心功能组件可广泛应用于当前北斗二号设备,通用性能提升
2、明显。引言北斗导航定位设备目前已广泛应用于陆军武器平台,为指挥员及时调整兵力部署、实施精确指挥奠定了基础。但目前北斗导航定位设备部分部件采用国外进口模块或电路,自主性和安全性得不到有效保障; 设备由多部门开发研制,内部结构复杂多样,通用性距离使用要求还存在一定差距。因此开展北斗导航定位设备的国产化设计,提高安全自主能力和通用能力,已变得迫在眉睫。随着北斗二号卫星导航系统的不断升级和能力的不断增强,国内相关部门组织招标研制了系列化国产芯片和模块,且经比测性能稳定,成熟度高,具备了推广应用的基础。前期相关部门组织开发了基于国产化北斗专用芯片的OEM 板,将北斗接收机的主要部件做成大规模集成电路,集
3、成在一块电路板上,具有北斗信号接收、信号处理、信号输出号和定位等功能。文献18对OEM板进行了分析,具备性能稳定、轻巧灵便等优点,可利用其输出的位置、时间等数据信息与计算机、通信等技术相结合,提升导航定位设备的自主能力,但OEM 板目前仅限于特定设备和一定范围内应用,尚未得到大规模推广,且北斗设备的通用性能并未得到有效提升。本文通过开展基于国产化北斗专用芯片的应用研究以及核心功能组件开发,设计链路匹配与接口标准,提升北斗设备的安全性和自主性,有效减少北斗设备类型,提高其通用性能; 通过开展基于国产化北斗专用芯片的样机功能和性能测试,以及与某设备的对比,验证国产化北斗专用芯片应用后的整机指标满足
4、程度。1 国产化北斗芯片核心功能组件设计某北斗设备具备NSS B3、B1 频点定位、DSS定位及通信、GPS 定位、GLONASS 定位及上述组合定位功能,在当前应用中具有一定的普适性。以该北斗机为研究对象,开展国产化北斗专用芯片的应用设计。11 国产化北斗专用芯片选型研究111 基带芯片选型结合国内北斗基带芯片的比测情况以及芯片本身功能,基带芯片选用内部集成SDAM,Flash,TC的芯片,以减小与之匹配的外电路设计和尺寸,降低电路板层要求和电路设计难度,因此选用国内某基带芯片1。112 射频芯片选型为满足复杂战场环境下定位导航和态势感知需求,北斗设备应具备NSS 和DSS 射频通道,以实现
5、DSS 收发,NSS 的B3,B1,GPS,GLONASS 收发、高灵敏度、高精度和抗干扰能力等要求。( 1) DSS 射频芯片选型DSS 射频芯片选择需重点关注接收灵敏度、发射功率和发射相差等指标,且具备抗干扰能力,综合对比国内DSS 射频芯片,选用国内某具备接收窄带抗干扰能力的通用射频芯片1。( 2) NSS 射频芯片选型NSS 共有BD B3,BD B1,GPS L1,Glonass 四个频点,考虑到BD B3 频点的重要性和工作稳定性,B3 频点射频芯片独立选择,具备抗干扰能力; 因BDB1,GPS L1,Glonass 频点相对靠近,选用单片双通道NSS 射频芯片实现,未考虑抗干扰能
6、力。12 核心功能组件设计将选中的基带芯片和射频芯片通过集成设计,形成核心功能组件,其原理框图如图1 所示,主要分为中频电路部分、射频电路部分、电源部分以及外部接口部分。射频电路部分具备信号接收和发射功能: 接收BD B3,BD B1,GPS L1,GLONASS F1 频点以及S 频点射频信号,处理后将4 路信号传至中频部分,提供中频工作时钟; 完成L 频点信号的发射。图1 核心功能组件原理中频电路部分接收到射频电路的信号后,完成数据处理,并将处理结果输出到对外数据接口; 提供DSS 发射信号以及频率、功率等控制信号。电源电路提供工作电源,包括射频馈电5 V、模拟电30,12 V 和数字电1
7、2,18 V。2 整机设计21 整机设计原理将国产化北斗芯片的核心功能组件嵌入某型北斗机中,其原理如图2 所示。图2 整机原理22 接口标准设计对外接口含S232 串口1 /加注口、S232 串口2 /CAN 总线以及电源接口,接口定义如表1所示917。表1 对外接口定义S232 串口1/加注口用于加注密钥、核心功能组件升级,以及与车载计算机/显控终端进行数据交互;S232 串口2/CAN 总线用于与车载计算机/显控终端进行数据交互; 电源接口为该型北斗机提供电能。23 整机链路设计某型北斗用户机存在收发2 条链路,具有4 频点接收和1 频点发射功能。接收链路分配如图3所示。231 S 频点链
8、路分析基带芯片S 通道采用有效位12 位高精度ADC,最大输入1 Vpp, 50 阻抗匹配,最大功率约为4 dBm。第n 位高精度ADC 采样精度计算公式为18:式中,P 为功率; U 为电压; 为电阻。由式( 1) 可知,基带芯片信号采样的动态范围为684 dBm。整机S 链路设计时,天线组件链路增益如图3所示,S 频点带内功率约为105 dBm,若S 通道增益为Gs1,则68 dBm105 dBm+353 dB+ Gs14 dBm,点射频芯片一般模式下增益范围为50 85 dB,50 dBGs1737 dB。DSS 射频芯片使用AGC 模式实现抗窄带干扰,S 抗窄带干扰干信比不低于55 d
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